Materiali bituminosi innovativi

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1 4 Corso di Alta Formazione alla Ricerca ICAR-04 Pavimentazioni, materiali e metodi per le infrastrutture stradali ed aeroportuali Materiali bituminosi innovativi Prima parte Prof. Ing. Felice Giuliani Dipartimento di Ingegneria Civile, dell Ambiente, del Territorio e Architettura Università degli Studi di Parma Aeroporto di Olbia Costa Smeralda 13 Settembre 2006

2 Cosa c è di innovativo? 1) Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali. 2) Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali. 3) Studio di formulazioni vantaggiose soluzioni eco-sostenibili implicazioni di carattere tecnico-economico In questa lezione: Il legante come soggetto privilegiato. Il laboratorio come luogo eletto della sperimentazione. La struttura della ricerca prevale sul dettaglio del risultato.

3 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali 1) Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti). 2) Leganti bituminosi trasparenti e colorati.

4 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Bitumi e resine resistenti alle aggressioni chimiche (carburanti) 1) Infrastrutture stradali ed aeroportuali. 2) Soluzioni Coal free. 3) Soluzioni collaterali

5 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali BITUMI E RESINE RESISTENTI ALLE AGGRESSIONI CHIMICHE Classificazione in base alla resistenza al kerosene K0 K1 K2 K3 Superficie non soggetta al contatto con idrocarburi Livello di attacco da idrocarburi basso Livello di attacco da idrocarburi moderato Livello di attacco da idrocarburi elevato

6 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerati bituminosi anticarburante: il ruolo della formulazione (A. Seive & C. Leroux, 2004)

7 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio Brush test (EN ) Cantabro test (NLT )

8 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerati bituminosi anticarburante: le prove di laboratorio silicone sealing fuel jet jet A-1 fuel A1 asphalt concrete D PVC ring 6 mm 600 mm average penetration depth [mm] mm head 4mm head 6mm head 6h 24h 30h 48h D H max time [h] A H av = A D (F. Giuliani & S. Rastelli, 2006)

9 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Soluzioni anticarburante: le prove di laboratorio mass loss [%] B50/70 PMB50/70-84 A mass loss after 24 h immersion in kerosene [%] B50/70 PMB50/70-84 B 0 air 24 h in water 15 days in water 24 h in kerosene 0 untreated vinyl resin styrol-acrylic resin (F. Giuliani & S. Rastelli, 2006)

10 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Leganti bituminosi trasparenti o colorati 1) Pavimentazioni di strade a basso impatto ambientale. 2) Riconoscibilità di spazi in piattaforma, zone pericolose, piste ciclabili.

11 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Leganti bituminosi trasparenti o colorati Viscosità [Pa s] SINT 70/100 SOFT HARD Temperatura [ C] Lavorabilità analoga al bitume 70/100 Per t < 60 C tendenza al modificato SOFT - Migliore resistenza all ormaiamento e fatica rispetto ai bitumi tradizionali - Migliore lavorabilità alle alte temperature rispetto ai bitumi modificati - Comportamento reologico assimilabile ai bitumi modificati - Ottima compatibilità con aggregati di qualsiasi natura - Alterazione delle proprietà cromatiche T > 130 C (F. Canestrari & L. Cerni, 2003)

12 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro Studio del contrasto cromatico, della percezione e della resa illuminotecnica

13 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro 1. Applicazioni in galleria e/o per migliorare la resa illuminotecnica della piattaforma stradale. 2. Percentuale in peso di aggregati chiari > 60%. 3. Coefficiente di luminosità retroriflessa mcd/lxm 2 4. Basso assorbimento di legante (<0,1%).

14 Prodotti bituminosi con specifiche caratteristiche funzionali Conglomerato bituminoso con legante trasparente e/o con aggregato artificiale o naturale chiaro Selezione dell aggregato Principi della retroriflessione (F. Giuliani & S. Rastelli 2005)

15 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali 1) Le emulsioni nel riciclaggio a freddo. 2) I bitumi nelle soluzioni grouted macadam.

16 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Le emulsioni nel riciclaggio a freddo Il cemento costituisce elemento di regolazione della rottura dell emulsione. Il cemento incrementa la viscosità del legante bituminoso. Il cemento esercita una influenza continua sulla rigidezza delle miscele riciclate, anche dopo immersione in acqua. La miscela emulsione bituminosa e cemento può essere considerata un nuovo legante?

17 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Emulsione bituminosa e cemento X-Ray Diffraction Analysis incident beam scattered beam λ = 1.54Å θ d atomic planes 2 d sen θ = nλ

18 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Sample P2 Bituminous Emulsion Sample P2 - Bit. Emulsion Sample P2 - Bit. Emulsion Sample P7 Portland Cement d =4.55Å Sample P7 - Portland Cement Sample P7 - Portland Cement Counts st order peaks secondary peaks Scattering Angle 2θ (F. Giuliani, 2001) Scattering angle 2θ

19 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Sample P3 Bitum. Emulsion + Filler Sample P6 Filler Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler Sample P3 - Bit. Emulsion-Filler Sample P6 - Filler Sample P6 - Filler Counts Scattering angle ( 2θ) Scattering Angle 2θ (F. Giuliani, 2001)

20 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Counts Sample P1 Bitum. Emulsion + PC Sample P1 - Bit. Emulsion-Portland Cement Sample P2 - Bit. Emulsion Sample P2 Bituminous Emulsion Sample P5 - Portland Cement Paste Sample P5 Portland Cement Paste (F. Giuliani, 2001) Scattering angle (2θ) Scattering angle (2θ )

21 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Emulsione bituminosa e cemento A. Montepara, F. Giuliani and S. Rastelli (2004) Cement-bituminous emulsion ratio in RAP mixtures RAP different grading curves (a) Low emulsion content: 3.5% (b) Medium emulsion content: 4.5% (c) High emulsion content: 5.5%

22 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali Emulsione bituminosa e cemento Virgin aggregate, 28 days curing modified effort standard effort + 2% cement RAP, 28 days curing modified effort standard effort + 2% cement strength (kg/cm 2 ) strength (kg/cm 2 ) % 4.5% 5.5% 3.5% 4.5% 5.5% 3.5% 4.5% 5.5% 3.5% 4.5% 5.5% (F. Giuliani & S. Rastelli, 2004)

23 Leganti bituminosi con nuove funzioni strutturali I bitumi nelle soluzioni Grouted Macadam Gli obiettivi e le tecniche di esecuzione Il ruolo del legante Gli effetti del ritiro

24 Studio di formulazioni vantaggiose 1) I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi. 2) I bitumi modificati con polverino di pneumatico riciclato.

25 Studio di formulazioni vantaggiose I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi Consumo di combustibile (kg/t) Conglomerati a caldo Conglomerati semi-caldi Conglomerati tiepidi Conglomerati a freddo H 2 O Temperatura di confezionamento Zona di Surriscaldamento Zona di Essiccazione

26 Studio di formulazioni vantaggiose I Warm Asphalt e le emulsioni bituminose nei conglomerati tiepidi Warm Mix Asphalt WAM Foam (Shell - Kolo Veidekke) Zeolite (Eurovia - Hubbard Construction) Sasobit (Sasol Int. Moore and Murger) Evoterm (MeadWestvaco)

27 Studio di formulazioni vantaggiose Caso di studio: Bitume modificato con polverino di pneumatico riciclato - Nasce per caso 40 anni fa. - Interesse ambientale. - Nuovi interessi tecnici e scientifici. 1) La via secca (metodo Dry) 2) La via umida (metodo Wet)

28 Studio di formulazioni vantaggiose METODO DRY Dimensione nominale (mm) 15,8 9,52 6,5 2,00 1,00 0,60 0,42 0,30 0,177 0,075 Gomma (passante %) PlusRide TM Dry (passante %) A0 = 0%CRM A2 = 2%CRM (B. Celauro, C. Celauro, A. Di Francisca, 2003)

29 Studio di formulazioni vantaggiose Metodo Wet Crumb Rubber Modified Binder Asphalt Rubber o Rubberized Asphalt (ASTM D-6114) Tipo I (CRM da pneumatico) Tipo II (75% CRM e 25% gomma naturale) Terminal Blend o Refinery Blend Process

30 Studio di formulazioni vantaggiose Crumb Rubber Modified Binder ASPHALT RUBBER 1. Alto contenuto di polverino (15 22%) ASTM D Tipo e qualità di polverino 0,075<Φ<2 mm. 3. Instabile allo stoccaggio. 4. Conglomerati con tenori di bitume elevati (8 10%) con buone caratteristiche di fonoassorbenza (riduzione fino a 5 6 db). 5. Conglomerati con notevole resistenza a fatica ed alle deformazioni permanenti. 6. Benefici ambientali. 7. Impianto specifico semovente. 8. Costi da valutare su ampia scala.

31 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Miscela 70/100 (18% CRM) 70/100 (20% CRM) 70/100 (22% CRM) Tempo [min] Viscosità [cp] Penetrazione [dmm] Resilienza [dmm] Palla Anello [ C] Viscosità [cp] 5000 max AASHTO TP min AASHTO TP /100+18% 70/100+20% 70/100+22% Tempo [min] (F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, G. Way, 2005)

32 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER (J. Shen & S. Amirkhanian, 2005)

33 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Zero Shear Viscosity (CEN pren15325) ZSV = t/ J = 900 / (J f J 15 ) [Pa s] ,30 16% CRM ,24 0% CRM η [Pa s] J [1/Pa] η [Pa s] ,18 0,12 J [1/Pa] 50 Viscosidade Compliance Viscosidade Compliance 0, , tempo [s] tempo [s] (F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)

34 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Zero Shear Viscosity (CEN pren15325) ZSV = t/ J = 900 / (J f J 15 ) [Pa s] , ,25 20% CRM 20% CRM , ,20 η [Pa s] ,15 0,10 J [1/Pa] η [Pa s] ,15 0,10 J [1/Pa] Viscosidade Compliance 0, Viscosidade Compliance 0, ,00 0 0, tempo [s] tempo [s] (F. Giuliani, I. Antunes, J.B. Sousa, 2006)

35 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Zero Shear Viscosity Analysis Test Stress - τ Binder 10 Pa 20 Pa 50 Pa 100 Pa 0,25 0,20 Compliance 10 Pa Compliance 20 Pa Compliance 50 Pa CRM 0% CRM 16% CRM 20% J [1/Pa] 0,15 0,10 Compliance 100 Pa CRM 20 t = 4 hours 0,05 0, time [s] (F. Giuliani, F. Merusi, I. Antunes, 2006)

36 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER viscosità complessa [Pa s] eta* eta* (Cross) eta* (Carreau-Yasuda) angolo di fase ,001 0,01 0, frequenza [Hz] T = 60 C angolo di fase [deg] η *( ω) = G * ω η 0 η η *( ω) = + η µ 1+ ( Kω) η0 η η *( ω) = + η [ ( ) ] a 1+ λω n 1 a (Cross Model) (Careau Model) Zero-Shear Viscosity ZSV [Pa s] G*/ω G /ω η 0 Cross η 0 Careau- Yasuda CRM CRM CRM (F. Giuliani, F. Merusi, 2006)

37 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Repeated Creep Test deformazione γ [%] T = 60 C τ = 10 Pa tcreep = 1 s trecovery = 9 s γacc 0% CRM 10 0, tempo t [s] 16% CRM deformazione γ [%] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 T = 60 C τ = 10 Pa tcreep = 1 s trecovery = 9 s γacc 0, tempo t [s] (F. Giuliani, F. Merusi, 2006)

38 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Repeated Creep Test 0,30 0,25 deformazione γ [%] 0,20 0,15 0,10 0,05 T = 60 C τ = 10 Pa tcreep = 1 s trecovery = 9 s γacc 16% CRM 0, tempo t [s] (F. Giuliani, F. Merusi, 2006)

39 Studio di formulazioni vantaggiose ASPHALT RUBBER Resistenza all invecchiamento (I. Antunes, F. Giuliani, J.B. Sousa, 2004)

40 Studio di formulazioni vantaggiose TERMINAL BLEND Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) o olii estensivi H n+2 (P n O 3n+1 ) con 1 < n < 4

41 Studio di formulazioni vantaggiose TERMINAL BLEND Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) 75 Temp. rammollimento [ C] Min. ASTM D C 50/70 B + 10% CRM + 1% acido polif. 50/70 B + 8% CRM + 0.5% acido polif. 50/70 B + 8% CRM + 1% acido polif 50/70 B + 8% CRM + 1.5% acido polif 50/70 B + 5% CRM + 1% acido polif C [cp] Min. ASTM (I. Antunes, F. Giuliani, 2006)

42 Studio di formulazioni vantaggiose TERMINAL BLEND Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) C 65 C Temperatura di Rammollimento [ C] C 0 50/70 B 50/70 B + 8%CRM + 1.5% acido polif. 50/70 B + 10%CRM + 1% acido polif. (I. Antunes & F. Giuliani, 2006)

43 Studio di formulazioni vantaggiose TERMINAL BLEND Uso di additivi a base di Acido Polifosforico (AP) nella modifica SBS Stirred storage Static storage Bitumen Conventional Test 0.5 Tempo di reazione (h) Tempo di reazione (h) Softening Point [ C] / %SBS +0.5%AP C [dmm] C [cp] Storage Stability Up/Down 180 C) [ C] 105/52 114/54 109/55 70/68 103/55 101/55 73/65 Softening Point [ C] ND ND ND 70/ %SBS +1%AP C [dmm] C [cp] Storage Stability Up-Down 180 C) [ C] / / / /100 ND ND ND ND ND ND ND ND ND (I. Antunes, F. Giuliani, 2006)

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